前言:高分子加工過程材料會發生一系列的流動、形變,在這些過程里材料會表現出其獨特的流動、形變特性,這也是材料流變學關注的研究重點。粘(黏)度、剪切粘度、拉伸粘度、平臺模量、損耗模量、儲能模量、松弛時間等名詞對應著高分子流變的各個研究點,也是描述材料特性的具體方式。但它們的具體含義、區別與聯系是為初學者甚至普通研究者所模糊的。
聚合物的粘彈性(viscoelasticity)概述:聚合物濃稠溶液體系或熔體在流動過程中,不僅表現出液體所具備的粘流特性,且同時具備固體材料所具有的彈性性質,這就是聚合物粘彈性。這里需要講述的是,萬物皆流,萬物皆變,粘彈性不僅是聚合物的特性,其它材料也有。只是聚合物的粘彈性剛巧處于我們人類觀測時間的最佳范圍。因此,更與我們息息相關。
- 粘(黏)度篇(Viscosity):復粘度(Complex viscosity)、剪切粘度(Shear viscosity)、拉伸粘度(Tensile viscosity) VS 熔融指數(Melt index)
1.1 高分子粘度
首先,需要明確這里涉及高分子的濃稠體系粘度均是廣義粘度,原因很簡單聚合物具有顯著的粘彈性,無論是單一粘度或是單一彈性來描述其運動特性均是與實際不符的。
但為了簡單,很多時候都要明知不可為而為之,將牛頓粘性定律用于計算聚合物粘度,同時這個假粘度也起名稱為復粘度,顧名思義它是粘性與彈性的復合。在牛頓摩擦定律重,粘度描述了:材料的應力與形變速率梯度之間的關系。粘度越大,同樣的流動速率梯度就會產生更大的摩擦力,即材料變得更加難以流動。
1.2 剪切粘度、復粘度
剪切粘度是材料在剪切流變儀下測試的粘度,也就是復粘度。圖1中展示的是聚丙烯熔體在180 °C下的剪切粘度,其中黑色線條是粘度項。剪切粘度最大的特點(難點)是它不是一個定值,簡單的說材料的粘度除了和材料有關還與材料受到的剪切速率,剪切應力,形變大小有關。就如同圖中展示,隨著剪切速率的升高,材料的粘度開始變小。
剪切粘度是流變中最基礎的內容,但依舊相當復雜。細心的朋友可以發現黑色的粘度曲線既包含三角形的散點,也包括線性的曲線。其中散點是流變儀測試過程提供的數據點,而黑色曲線是利用廣義Maxwell模型計算的結果。這一條粘度曲線需要相當豐厚的學術基礎,且需要計算機計算才能得到。如此,才能完整得到材料的剪切粘度。這種描述材料粘度的方式對于實際生成顯然是不可取的,我們不能要求生產者或是操作員理解粘度曲線及其內在含義。但實際現實又需要讓一線生產者有直觀的對材料粘度的感受,熔融指數這一概念便得到了普及。
1.3 熔流指數
熔流指數,全稱熔液流動指數,或熔體流動指數。熔融指數,是一種表示塑膠材料加工時的流動性的數值。它是美國量測標準協會(ASTM)根據美國杜邦公司(DuPont)慣用的鑒定塑料特性的方法制定而成,其測試方法是:先讓塑料粒在一定時間(10分鐘)內、一定溫度及壓力(各種材料標準不同)下,融化成塑料流體,然后通過一直徑為2.1mm圓管所流出的克(g)數。其值越大,表示該塑膠材料的加工流動性越佳,反之則越差。
簡單的理解就是樣品在某一特定溫度下,被施加特定的壓力流過一段小管,記錄其一定時間流過的樣品重量。流過的越多流動性越好。熔融指數非常的簡單理解,且在生產線使用很廣,但與之對應它是一個完全工業化的概念,沒有深層的科學理論基礎,因此它的描述往往是不準確的。熔融指數相同的聚合物在具體的流場中可能會存在天差地別的差異,即熔指相同,不能代表流動性相同,不能代表上機后表現相同,不能代表加工性能相同。如果涉及到聚合物的選牌號選型,需要對聚合物的粘度做更深層次的表征,而非簡單的判斷熔融指數,才能真正解決實際問題。
1.4 拉伸粘度
拉伸粘度是指聚合物在拉伸流動(形變)過程中呈現的粘度,它的值往往與剪切粘度并不一致。若從更深層次的分子動力學模型出發,兩者又是統一的(分子鏈蛇形理論)。作為科普,簡單的記作:拉伸過程材料的粘度值與剪切粘度值兩者有相關性但不相同。
在拉伸過程中,分子鏈被拉伸,如圖3所示,此過程需要額外的能量,表現為拉伸硬化。即材料粘度突然上揚。具體的拉伸粘度可以通過拉伸流變儀測試得到,如圖4所示。圖4是帶有支鏈的PP材料在不同的拉伸速率下的拉伸粘度曲線。其中散點是實驗測量值,黑色實線是分子應力模型計算結果。在紡絲,吹膜,發泡等領域更加關注材料的拉伸過程,需要對材料的拉伸粘度做深入研究,才能更好的設計工藝,選擇材料。
結論
材料的粘度表征是困難的,找到具有理想的合適的流動加工性的聚合物是需要深層次的粘度表征的。熔指相同,不能代表流動性相同,不能代表上機后表現相同,不能代表加工性能相同。涉及到聚合物的選牌號選型,需要對聚合物的粘度做更深層次的表征,而非簡單的判斷熔融指數,才能真正快速解決實際問題。
總之:結合加工的具體特點,重點關注材料的某一粘度特性,是解決實際生產問題的關鍵手段。